本發(fā)明涉及醫(yī)療設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及多人交互虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練與評估系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著社會的老齡化，腦卒中(俗稱中風(fēng))以高發(fā)病率和高致殘率的特點，成為威脅人們健康最常見的病因之一。目前我國每年死于腦卒中約150萬人，新發(fā)腦卒中約200萬人；約75％的存活者留有不同程度的功能障礙，估計每年社會經(jīng)濟負(fù)擔(dān)400億元?？茖W(xué)研究和臨床應(yīng)用表明，及時有效的康復(fù)訓(xùn)練，可以有效恢復(fù)部分肢體運動功能，提高腦卒中患者生活自理能力，降低致殘率，減輕家庭和社會的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。

康復(fù)訓(xùn)練的傳統(tǒng)方法是康復(fù)治療師手把手輔助治療或者采用機械輔具對患者進行一對一治療該方法存在諸多不足：治療效率低，人力成本高；康復(fù)評估耗時長，主觀性較強；康復(fù)方式和訓(xùn)練過程單調(diào)無趣；同時訓(xùn)練動作的選擇不貼近生活，患者回歸正常社會生活還有一定的難度。

隨著科技水平的不斷進步和新興交叉學(xué)科不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)外越來越多的研究機構(gòu)將智能傳感和虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于患者的運動功能恢復(fù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)為康復(fù)醫(yī)學(xué)開辟了一個新領(lǐng)域，打破了原有康復(fù)手段的局限性?；颊呖梢杂闷渥匀患寄軐@個虛擬的現(xiàn)實進行交互式體驗，體驗的結(jié)果(即虛擬現(xiàn)實的反應(yīng))與在相應(yīng)的真實環(huán)境中相似或相同，使沉浸其中的用戶在交互體驗中獲得真實環(huán)境的臨場感。

近年來，多人交互的虛擬現(xiàn)實概念被提出，多人交互系統(tǒng)可以讓兩個或多個患者與虛擬現(xiàn)實情景進行多人互動和反饋，相對于人機交互，具有更強的互動性，并且可以進行群組模式的康復(fù)訓(xùn)練。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種的基于多人交互虛擬現(xiàn)實的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，多個腦卒中患者可以在康復(fù)訓(xùn)練場所或借助于互聯(lián)網(wǎng)組成康復(fù)訓(xùn)練小組，進行群組康復(fù)訓(xùn)練，并與日常生活情景游戲進行多人互動反饋，大大提高患者康復(fù)訓(xùn)練的積極性，增強康復(fù)訓(xùn)練效果。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

多人交互虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練與評估系統(tǒng)，其包括：

多源傳感模塊，其用于采集人體的各項訓(xùn)練動作的肢體運動信號；

信號接收器，其與傳感模塊進行信號連接，用于接收肢體運動信號；

計算機端，其與信號接收器進行信號連接，用于接收肢體運動信號并對肢體運動信號進行處理和存儲；

虛擬現(xiàn)實處理單元，其單獨設(shè)立或集成于計算機端中，虛擬現(xiàn)實處理單元連接計算機端，用于接收多源傳感模塊采集的肢體運動并對其進行信號處理，具體為：

1)對肢體運動信號進行預(yù)處理，剔除系統(tǒng)噪聲的干擾和影響；

2)對肢體運動信號進行特征提取，具體從人體完成動作的運動幅度、運動方向、運動動態(tài)能量和運動平滑性進行特征提取；

3)通過多源融合算法對多個維度的特征進行量化評估，并根據(jù)結(jié)果對虛擬現(xiàn)實場景中的各個角色進行驅(qū)動。

進一步地，上述的多人交互虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練與評估系統(tǒng)還包括顯示屏，其單獨設(shè)立或集成于計算機端中，顯示屏用于顯示康復(fù)訓(xùn)練信息反饋以及與虛擬現(xiàn)實場景進行人機交互。

進一步地，上述的多源傳感器的信號通過多模態(tài)融合技術(shù)建立與Fugl-Meyer量表間的量化映射模型，并通過確定可視化的量化評估指標(biāo)形成智能化的量化康復(fù)評定算法，對各個患者的康復(fù)訓(xùn)練過程進行評估。

進一步地，上述的多源傳感器還具有與游戲間的接口，把肢體運動信號融合到游戲場景中，形成虛擬現(xiàn)實的游戲反饋控制，實現(xiàn)人體與虛擬現(xiàn)實場景之間的多人交互和信息反饋。

進一步地，上述的多源傳感模塊包括九軸姿態(tài)傳感器和可穿戴式傳感器。

進一步地，上述的九軸姿態(tài)傳感器包括三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀、三軸磁力計，三軸加速度傳感用于檢測訓(xùn)練動作的速度和位移，三軸陀螺儀用于檢測訓(xùn)練動作的角度和角速度，磁力計用于動作方向的檢測和校準(zhǔn)。

進一步地，上述的可穿戴式傳感器包括手套式傳感器和足墊式傳感器，所述康復(fù)訓(xùn)練手套手指、手腕處內(nèi)置彎曲傳感器，指尖內(nèi)置壓力傳感器，手背處內(nèi)置表面肌電傳感器，各個傳感器實時采集手部的康復(fù)訓(xùn)練信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至PC機進行信息處理。所述無線足底壓力鞋墊由縱向和橫向壓力傳感陣列、高速模擬開關(guān)和無線數(shù)據(jù)采集單元組成。

本發(fā)明多人交互虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練與評估系統(tǒng)針對腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練，多個腦卒中患者可以在康復(fù)訓(xùn)練場所或借助于互聯(lián)網(wǎng)組成康復(fù)訓(xùn)練小組，進行群組康復(fù)訓(xùn)練。并針對患者身體各個部件的康復(fù)訓(xùn)練，開發(fā)基于加速度、陀螺儀、磁力計、力傳感器、彎曲傳感器等穿戴式的高精度運動捕獲傳感設(shè)備，進行康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集、信號處理和特征提取；開發(fā)多個日常生活情景互動游戲，建立康復(fù)訓(xùn)練動作特征與日常生活情景互動游戲的模型和接口，使腦卒中患者可以進行多人互動反饋式康復(fù)訓(xùn)練，大大提高患者康復(fù)訓(xùn)練的積極性，增強康復(fù)訓(xùn)練效果，提高腦卒中患者日常生活自理能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于多人交互虛擬現(xiàn)實的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)中的9軸高精度姿態(tài)傳感模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的基于多人交互虛擬現(xiàn)實的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)中的穿戴式的康復(fù)訓(xùn)練軀體傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的基于多人交互虛擬現(xiàn)實的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)中的多人交互虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)示意圖。

圖4為本發(fā)明的基于多人交互虛擬現(xiàn)實的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)中的特征提取的信號處理流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。

1.穿戴式多人交互肢體運動捕獲系統(tǒng)

為了實現(xiàn)腦卒中患者與虛擬現(xiàn)實場景間的人機交互，首先需要實時捕獲腦卒中患者的肢體運動信息。同時，為了實現(xiàn)本項目中的多人交互，需要同時采集多名腦卒中患者的肢體運動信息。為了精確捕獲患者頭頸部、上肢、髖部、下肢等多個部位康復(fù)訓(xùn)練的肢體運動信息，設(shè)計了如圖1所示的9軸高精度姿態(tài)傳感模塊。

9軸高精度姿態(tài)傳感模塊采用3軸加速度、3軸陀螺儀、3軸磁力計進行設(shè)計，3軸加速度用于檢測訓(xùn)練動作的速度和位移等，陀螺儀用于檢測訓(xùn)練動作的角度、角速度等，磁力計用于動作方向的檢測和校準(zhǔn)。在9軸傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計姿態(tài)解算算法，可以直角得出訓(xùn)練動作的精確運動方向。自動校準(zhǔn)算法可以對傳感器測量精度出現(xiàn)偏差的情況下進行自動校準(zhǔn)。另外，專門設(shè)計了空間坐標(biāo)變換算法，可以通過1個指令把當(dāng)前位置變換為起始位置，這可以有效排除患者康復(fù)訓(xùn)練時傳感器穿戴位置的影響。

另外，針對手部康復(fù)訓(xùn)練、足底平衡訓(xùn)練等其他部位的康復(fù)訓(xùn)練，分別設(shè)計了高精度的康復(fù)訓(xùn)練手套和智能壓力鞋墊等高精度智能傳感模塊?？祻?fù)訓(xùn)練手套手指、手腕處內(nèi)置彎曲傳感器，指尖內(nèi)置壓力傳感器，手背處內(nèi)置表面肌電傳感器，各個傳感器實時采集手部的康復(fù)訓(xùn)練信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至PC機進行信息處理。無線足底壓力鞋墊由縱向和橫向壓力傳感陣列、高速模擬開關(guān)和無線數(shù)據(jù)采集單元組成。

在以上高精度傳感模塊的基礎(chǔ)上，設(shè)計了如圖2所示的穿戴式的康復(fù)訓(xùn)練軀體傳感網(wǎng)絡(luò)。

9軸傳感器、康復(fù)訓(xùn)練手套、足底壓力鞋墊等可穿戴智能傳感設(shè)備與無線接收器之間ZigBee無線通信和組網(wǎng)協(xié)議。無線接收器與計算機之間通過USB等有線或Wifi等無線方式建立通信，計算機中的數(shù)據(jù)采集軟件完成對各個可穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)實時采集、顯示、存儲和分析處理等功能。

多人交互虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)如圖3所示。在醫(yī)院或康復(fù)中心的訓(xùn)練大廳進行康復(fù)訓(xùn)練的多名患者，形成康復(fù)訓(xùn)練小組，通過穿戴式的肢體運動捕獲設(shè)備以及大顯示屏PC康復(fù)訓(xùn)練軟件和情景互動游戲進行康復(fù)訓(xùn)練。在大顯示屏上顯示等日常生活場景游戲中，多名患者進行比賽、協(xié)作等方式進行康復(fù)訓(xùn)練，同時給出訓(xùn)練得分等康復(fù)訓(xùn)練信息反饋。每位患者不僅能看到自己的康復(fù)訓(xùn)練和比賽結(jié)果，也可以看到其他小組成員的康復(fù)訓(xùn)練和比賽結(jié)果，以激發(fā)更大的康復(fù)訓(xùn)練積極性和熱情。

多人交互虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練，同時也包括在社區(qū)、家庭等進行遠(yuǎn)程康復(fù)訓(xùn)練的腦卒中患者，基于互聯(lián)網(wǎng)和多人交互虛擬現(xiàn)實日常生活場景服務(wù)器和軟件，與醫(yī)院或康復(fù)中心的患者形成多人交互康復(fù)訓(xùn)練小組，進行群組康復(fù)訓(xùn)練。

2.康復(fù)訓(xùn)練動作特征提取及多人交互的虛擬現(xiàn)實角色接口

可穿戴設(shè)備采集的肢體運動信息無法直接驅(qū)動(控制)虛擬現(xiàn)實場景中的角色(元素)。從原始肢體運動信息出發(fā)，需要經(jīng)過一系列的處理，方可實現(xiàn)可穿戴設(shè)備與虛擬現(xiàn)實場景中角色之間的接口連接。在本發(fā)明中，采用如圖4所示的信號處理流程。具體而言，首先需要對各個腦卒中患者的肢體運動信號進行預(yù)處理，以剔除系統(tǒng)噪聲的干擾和影響；接著需要對原始運動信號進行特征提取，在本項目中擬從腦卒中患者完成動作的完成度、平滑性等角度進行特征提取，各個特征詳細(xì)的定義及其對應(yīng)的物理意義如表1所列；最后，需要利用多源融合算法對多個維度的特征進行量化評估，并根據(jù)結(jié)果對虛擬現(xiàn)實場景中的各個角色進行驅(qū)動(控制)。

同時，利用多模態(tài)融合技術(shù)，建立多源傳感器(9軸姿態(tài)傳感器、康復(fù)訓(xùn)練手套、足底壓力鞋墊等)信號與Fugl-Meyer量表間的量化映射模型，并通過確定可視化的量化評估指標(biāo)，最終形成智能化的量化康復(fù)評定算法，可以對各個患者的康復(fù)訓(xùn)練過程進行評估。

表1提取出的特征及其物理意義

說明：(1)表中的x為原始信號；N為x的長度。

3.多人交互虛擬現(xiàn)實日常生活情景游戲和反饋系統(tǒng)

為了實現(xiàn)多人在同一個虛擬現(xiàn)實場景下的交互，本發(fā)明結(jié)合臨床上常用的腦卒中患者肢體運動功能康復(fù)訓(xùn)練處方，分別針對頭頸部、上肢、手部、髂部、下肢和足底等部位開發(fā)對應(yīng)的多人交互虛擬現(xiàn)實日常生活場景，如足球賽、砍木頭比賽、自行車比賽等競賽性和協(xié)作性比較強的游戲場景。

融合多傳感器的反饋數(shù)據(jù)，開發(fā)多源傳感器與游戲間的接口，把傳感器的數(shù)據(jù)融合到游戲場景中，形成虛擬現(xiàn)實的游戲反饋控制，實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練患者與虛擬現(xiàn)實場景之間的多人交互和信息反饋。

多人交互虛擬現(xiàn)實日常生活場景游戲，可根據(jù)患者身體狀態(tài)設(shè)置不同的訓(xùn)練難度，通過定時計數(shù)或定數(shù)計時等方式，進行多人交互游戲，并根據(jù)多傳感器的反饋信息，實時給出完成的動作數(shù)量及得分情況。游戲分為單人模式，雙人、多人比賽等訓(xùn)練模式。另外，游戲具有結(jié)果統(tǒng)計、歷史查詢、打印報表、上傳云服務(wù)器等功能。

因此，本發(fā)明的優(yōu)點總結(jié)來說具有以下幾點：

1)首次提出群組康復(fù)訓(xùn)練和多人交互虛擬現(xiàn)實的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)和方法；

提出一種基于穿戴式運動捕獲設(shè)備的多人交互虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，多個腦卒中患者可以在康復(fù)訓(xùn)練場所或借助于互聯(lián)網(wǎng)組成康復(fù)訓(xùn)練小組，進行群組康復(fù)訓(xùn)練，并與日常生活情景游戲進行多人互動反饋，大大提高患者康復(fù)訓(xùn)練的積極性，增強康復(fù)訓(xùn)練效果。

2)針對腦卒中患者各個部位康復(fù)訓(xùn)練的穿戴式多人交互智能傳感設(shè)備和傳感網(wǎng)絡(luò)；

針對患者頭頸部、上肢、髖部、下肢等多個部位康復(fù)訓(xùn)練的肢體運動信息，設(shè)計了基于加速度、陀螺儀和磁力計以及姿態(tài)解算、自動校準(zhǔn)、空間坐標(biāo)變換等智能算法的高精度9軸姿態(tài)傳感模塊；針對手部康復(fù)訓(xùn)練、足底平衡訓(xùn)練等其他部位的康復(fù)訓(xùn)練，分別設(shè)計了高精度的康復(fù)訓(xùn)練手套和智能壓力鞋墊等高精度智能傳感模塊；在康復(fù)訓(xùn)練運動檢測傳感模塊的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了康復(fù)訓(xùn)練軀體傳感網(wǎng)絡(luò)及多人交互傳感網(wǎng)絡(luò)。

3)多人交互虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練日常生活情景游戲反饋及康復(fù)評估；

結(jié)合臨床上常用的腦卒中患者肢體運動功能康復(fù)訓(xùn)練處方，分別針對頭頸部、上肢、手部、髂部、下肢和足底等部位開發(fā)對應(yīng)的多人交互虛擬現(xiàn)實日常生活場景游戲，如足球賽、砍木頭比賽、自行車比賽等競賽性和協(xié)作性比較強的游戲場景。

融合多傳感器的反饋數(shù)據(jù)，開發(fā)多源傳感器與游戲間的接口，把傳感器的數(shù)據(jù)融合到游戲場景中，形成虛擬現(xiàn)實的游戲反饋控制，實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練患者與虛擬現(xiàn)實場景之間的多人交互和信息反饋，并對各個患者康復(fù)訓(xùn)練及康復(fù)狀態(tài)進行康復(fù)評估。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。